CA2044903C

CA2044903C - Frenquency variation scanning antenna

Info

Publication number: CA2044903C
Application number: CA002044903A
Authority: CA
Inventors: Antoine Roederer; Markus Kari
Original assignee: Agence Spatiale Europeenne
Current assignee: Agence Spatiale Europeenne
Priority date: 1990-07-10
Filing date: 1991-06-18
Publication date: 1995-05-16
Anticipated expiration: 2011-06-18
Also published as: CA2044903A1; FR2664747B1; US5357260A; FR2664747A1; JPH05315826A

Abstract

Cette antenne comprend des dispositifs excitateurs pour produire une onde électromagnétique plane de fréquence donnée, variable autour d'une fréquence centrale f0, et des dispositifs rayonnants recevant l'onde plane produite par ces dispositifs excitateurs et faisant subir à celle-ci une pluralité de réflexions successives, ces dispositifs comprenant des dispositifs pour laisser fuir vers l'extérieur une fraction de l'onde plane après chacun des rebonds successifs afin de lui permettre de rayonner vers l'extérieur. Le déphasage de l'onde entre deux rebonds varie en fonction de la fréquence de cette onde et l'ensemble des ondes rayonnées ainsi produites présente donc un déphasage relatif déterminé, variable en fonction de la fréquence de l'onde engendrée par les dispositifs excitateurs et définissant une émission présentant un lobe principal d'orientation elle-même variable en fonction de ladite fréquence. Les dispositifs rayonnants comprennent de préférence deux surfaces en visà-vis, l'une formant surface de masse et l'autre formant surface frontale rayonnante perméable aux ondes électromagnétiques, et des dispositifs pour introduire l'onde plane entre les deux surfaces avec un angle d'incidence prédéterminé. La présente invention peut être appliquée notamment aux antennes de radiocommunication embarquées à bord de satellites.This antenna includes excitation devices for producing a plane electromagnetic wave of given frequency, variable around a central frequency f0, and radiating devices receiving the plane wave produced by these excitation devices and subjecting it to a plurality of reflections. successive, these devices comprising devices for allowing a fraction of the plane wave to leak outward after each of the successive rebounds in order to allow it to radiate outward. The phase shift of the wave between two rebounds varies as a function of the frequency of this wave and the set of radiated waves thus produced therefore has a determined relative phase shift, variable as a function of the frequency of the wave generated by the excitation devices and defining a transmission having a main orientation lobe which is itself variable as a function of said frequency. The radiating devices preferably comprise two facing surfaces, one forming a ground surface and the other forming a radiating front surface permeable to electromagnetic waves, and devices for introducing the plane wave between the two surfaces with an angle d 'predetermined incidence. The present invention can be applied in particular to radiocommunication antennas on board satellites.

Description

2044~03 Antenne à balayage par variatioIl de fréquence La pr~sente invention concerne une antenne à balayage par variation de fréquence, c'est-à-dire une antenne émettant (ou rece-vant) une onde électromagnétique selon un diagramme dont le lobe principal présente une orientation donnée, variable en fonction de la fréquence de l'onde rayonnée (ou reçue) par l'antenne.
On peut ainsi r~aliser par voie électronique un balayage pure-ment statique, simplement en sélectionnant la fréquence précise 0 appliquée à l'antenne, chaque fréquence ainsi sélectionnable corres-pondant à une direction principale d'émission déterminée.
On connalt diverses structures permettant de réaliser une telle fonction, notamment les structures à ~uides d'onde telles que celles décrites dans l'ouvrage de M. Skolnik intitulé Radar Handbook, 1970, notamment le chapitre 13 intitulé Frequency-ScannedArrays, par Irving W. Hammer, qui décrit notamment des réseaux à fentes et des structures à éléments rayonnants repliés permettant de réali-ser un tel balayage électronique par variation de fréquences.
on décrit dans le brevet français publié le 27 avril 1984 sous le no. 2,535,120, au nom de la Demanderesse, un élément réflecteur sensible à la fréquence qui, placé devant un projecteur d'onde tel qu'un cornet émetteur, réfléchit l'onde incidente dans une direction variant en fonction de la fréquence de cette onde.
Ces dispositifs présentent cependant tous un certain nombre d'inconvénients communs, à savoir que:
--la capacité de balayage (c'est-à-dire l'amplitude de la valiation angulaire de la direction du lobe principal, en fonction de la variation relative maximale de fréquence) est en général très limitée, et insuffisante dans de nombreuses applications;

la --la structure est toujours complexe du point de vue mécanique et radioélectrique, ce qui rend sa mise au point délicate et sa fablication dif~lcile, donc coûteuse;
--ces structures complexes sont généralement massives et vo]u-mineuses, ce qui les rend peu appropriées à un usage comme antennes embarquées de satellite; et ,. . .

--la forme du diagramme produit est telle que, lorsque l'on change de fréquence, le niveau de recouvrement entre deux faisceaux successifs (c'est-à-dire le niveau dans une direction située à mi-distance des directions principales d'émission de ces deux faisceaux) est généralement assez bas, ce qui rend difficile la couverture continue d'une zone géographique don-née.
L'invention a pour objet une antenne à balayage de fréquence qui remédie à l'ensemble de ces inconvénients, rendant ainsi celle-ci parfaitement appropriée à un usage comme antenne embarquée de satellite, notamment comme antenne de radiocommunications par satellite.
On verra en effet que l'antenne de l'invention est, du point de vue mécanique, de structure à la fois simple, compacte et légère, toutes caractéristiques particulièrement souhaitables pour une utilisation à bord d'un satellite.
On verra par ailleurs, en ce qui concerne la capacité de balayage en fonction de la fréquence, que la structure proposée présente une sensibilité élevée à la fréquence, c'est-à-dire que, pour une faible variation de fréquence, l'amplitude du balayage est relativement éle-vée.
Cette caractéristique est particulièrement avantageuse du fait que l'excursion de fréquence permise est généralement limitée par les caractéristiques propres de l'émetteur et de la largeur de bande allouée--typiquement de l'ordre de +2,5% autour de la fréquence centrale, dans le domaine des hyperfréquences tel que les bandes 30/20 GHz utilisées pour les communications par satellite. L'excur-sion en fréquence étant ainsi limitée, il est donc souhaitable de pou-voir couvrir la zone géographique la plus large possible en restant dans ces limites de fréquences--caractéristique que permet précisé-ment la présente invention, avec en outre la possibilité de détermi-ner aisément à la construction, par un choix de paramètres géomé-triques simples, la sensibilité à la fréquence la plus appropriée compte tenu de la couverture géographique souhaitée.
On verra également que l'antenne de l'invention est parfaitement compatible avec un certain nombre de contraintes habituelles telles que:
- la possibilité de rayonner des puissances importantes avec un rendement élevé;
- le respect de la linéarité de la polarisation;
- une polarisation circulaire optionnelle;
- une structure robuste, susceptible de résister aux contraintes sévères de l'environnement spatial; et lo - la plus grande insensibilité possible aux variations de température, compte tenu notamment des cycles thermiques de très grande amplitude rencontrés en environnement spatial.
La présente invention vise une antenne pour rayonner une onde électromagnétique ayant une fréquence donnée et émise à partir d'un excitateur, une orientation d'émission de l'antenne étant commandable en variant la fréquence de l'onde électromagnétique autour d'une fréquence centrale Fo et d'une longueur d'onde Ao de 0 fonctionnement de l'antenne, comprenant:
des moyens rayonnants pour recevoir à une entrée une onde électromagnétique plane ayant une fréquence f et une longueur d'onde A, et pour faire subir à ladite onde électromagnétique plane une pluralité de réflexions successives à l'intérieur desdits moyens rayonnants, lesdits moyens rayonnants incluant des première et seconde surfaces de réflexions parallèles en vis-à-vis, la première surface formant une surface de masse reliée à la masse et servant de plan de référence contre lequel un angle d'incidence d'une onde électromagnétique s'introduisant dans ladite entrée des moyens rayonnants est mesuré, les première et seconde surfaces de réflexions étant séparées par une distance h plus grande que la longueur d'onde A de C

3a l'onde électromagnétique plane causant ainsi un déphasage de l'onde électromagnétique plane entre deux rebonds consécutifs sur la seconde surface de réflexions, le déphasage de l'onde électromagnétique plane entre deux rebonds consécutifs variant en fonction de la fréquence f et de la longueur d'onde A de l'onde électromagnétique plane, la seconde surface de réflexions étant une surface frontale rayonnante perméable à une onde électromagnétique permettant à une partie de l'onde électromagnétique plane réfléchie entre les première et seconde surfaces de réflexions d'être rayonnée vers l'extérieur après des réflexions prédéterminées de facon à générer une série d'ondes rayonnées à partir des moyens rayonnants, la série d'ondes rayonnées définissant un diagramme de transmission ayant un lobe principal présentant une orientation variable en fonction de la fréquence f et de la longueur d'onde A;
un organe réflecteur focalisant pour recevoir une onde électromagnétique à une entrée et réfléchir ladite onde électromagnétique qui constitue alors ladite onde électromagnétique plane dans l'entrée desdits moyens rayonnants selon un angle d'incidence prédéterminé a vers ladite première surface de réflexions, ledit organe réflecteur focalisant incluant un réflecteur hyperbolique;
des moyens excitateurs pour recevoir ladite onde électromagnétique depuis l'excitateur à une entrée voisinante d'un point focal du réflecteur hyperbolique et pour diriger ladite onde électromagnétique dans l'entrée de l'organe réflecteur focalisant, lesdits moyens excitateurs comportant des sources constituées par des cornets situés dans un voisinage du point focal, chacune des sources étant légèrement défocalisée par rapport au point focal et décalée dans l'espace par rapport aux autres sources, chacun des cornets pouvant être sélectionné pour coupler une onde électromagnétique de l'excitateur dans les moyens 3b excitateurs pour ainsi réaliser un balayage dans deux directions perpendiculaires en combinant de fac~on appropriée un desdits cornets avec une fréquence de l'onde électromagnétique, la série d'ondes rayonnées ayant un angle de rayonnement ~ défini par l'équation suivante:
~ = arcsin {(m - n(A/~O)co~2a)/(msin ~)}

où:
~ est l'angle de rayonnement du lobe principal par rapport à ladite seconde surface de réflexions;
l est la longueur d'onde de l'onde électromagnétique re,cue par l'excitateur;
Ao est la longueur d'onde de la fréquence centrale pour un fonctionnement de l'antenne selon l'onde électromagnétique re,cue depuis l'excitateur;
a est l'angle d'incidence d'une onde excitatrice de l'onde électromagnétique re,cue dans les moyens rayonnants par rapport au plan de référence; et m et n sont des nombres entiers choisis pour que l'angle de rayonnement ~ soit égal à l'angle d'incidence a à ladite fréquence centrale ayant pour longueur d'onde ~0.
De préférence, les moyens rayonnants de cette structure comprennent deux surfaces en vis-à-vis, l'une formant surface de masse et l'autre formant surface frontale rayonnante perméable aux ondes électromagnétiques, par exemple au moyens de perforations, et des moyens pour introduire l'onde plane entre les deux surfaces avec un angle d'incidence prédéterminé.
Très avantageusement, la perméabilité de la surface frontale est une perméabilité variant sur l'étendue de celle-ci, faible dans les régions proximales, où la densité de puissance de l'onde plane est ., élevée, et élevée dans les régions distales, où cette densité est moindre.
Les moyens excitateurs peuvent de préférence comprendre deux surfaces en vis-à-vis et des moyens émetteurs d'une onde électromagnétique, disposés de manière à diriger cette onde électromagnétique émise entre ces deux surfaces, avec en outre au moins un organe réflecteur focalisant reliant les moyens excitateurs aux moyens réflecteurs.
De préférence, dans un premier mode de réalisation, les surfaces en vis-à-vis des moyens excitateurs et celles des moyens rayonnants s'étendent dans des directions essentiellement parallèles, l'organe réflecteur focalisant étant disposé d'un même côté des moyens excitateurs et des moyens rayonnants, de manière à renvoyer l'onde émise à
cette extrémité des moyens excitateurs vers l'extrémité
adjacente des moyens rayonnants sous ledit angle d'incidence prédéterminé.
De préférence, dans un second mode de réalisation, les surfaces en vis-à-vis des moyens excitateurs et celles des moyens rayonnants s'étendent dans des directions formant entre elles un angle égal à un angle droit augmenté dudit angle d'incidence prédéterminé, de manière à alimenter directement les moyens rayonnants par l'onde plane produite par les moyens excitateurs.
Par ailleurs, pour permettre un balayage bidirec-tionnel, les moyens excitateurs peuvent de préférence comprendre des moyens pour produire sélectivement différents faisceaux présentant une orientation distincte variant dans une direction perpendiculaire à ladite direction de varia-tion du lobe principal en fonction de ladite fréquence.
o On va maintenant décrire en détail l'invention, en référence aux dessins annexés.

.,~
,,~
, 4a La figure 1 montre en perspective, avec l'intérieur partiellement visible, un premier mode de réalisation de l'antenne de l'invention.
La figure 2 est une coupe schématique verticale de 'A: t~

~g ` 2044903 la figure 1 (l'orientation, non limitative, étant simplement définie pour les commodités de la description par rapport aux conventions de la figure).
La figure 3 illustre le fonctionnement de l'antenne de l'invention.
La figure 4 est un diagramme montrant la variation de la direc-tion du lobe principal en fonction de l'angle d'incidence de l'onde dans la partie rayonnante de l'antenne, cette orientation du lobe principal étant donnée pour d*erses valeurs de fréquences autour de la fréquence centrale de fonctionnement de l'antenne.
La figure 5 montre la manière de balayer en deux directions une zone géographique en combinant un choix de fréquence et un choix de cornet d'émission.
La figure 6 donne la direction des premiers lobes secondaires par rapport au lobe principal en fonction des caractéristiques géométri-ques de l'antenne.
la figure 7 est une vue en perspective d'un second mode de réali-sation de l'antenne selon l'invention.

Sur la figure 1, on a représenté un premier exemple de réalisa-tion de l'invention, dans lequel l'antenne à balayage par variation de fréquence comporte deux parties principales, à savoir une partie excitatrice 10 et une partie rayonnante 20.
On décrira essentiellement cette antenne en tant qu'antenne émettrice, mais il est bien entendu, compte tenu du théorème de réciprocité, qu'elle peut aussi bien opérer mutatis mutandis en antenne réceptrice, la structure d'ensemble restant inchangée.
La partie excitatlice 10 comporte au moins une source 11 (sur la figure, on a représenté cinq sources 11a à 11e groupées au voisinage d'un point central A) émettant une onde radioélectrique entre deux faces planes parallèles 12 et 13 (voir coupe de la figure 2), le front d'onde étant perpendiculaire aux plans 12 et 13 et l'onde se propa-geant en direction de l'extrémité de sortie 14 de cette partie excita-tlice.

Pour éviter les réflexions multiples sur les parois, on prévoit si nécessaire, de façon en elle-même connue, un volume absorbant 15 imposant à l'onde produite un trajet unique de la source 11 vers l'extrémité de sortie 14.
On notera que les faces 12, 13 ne sont pas nécessairement planes, mais qu'elles peuvent prendre d'autres configurations (sphé-riques, paraboliques, conformées, etc.) en fonction des besoins.
Par ailleurs, les sources 11 peuvent etre non seulement des cor-nets, comme on l'a représenté, mais tout autre type d'éléments rayonnants connus tels que des éléments imprimés, des éléments rayonnants filaires, etc. Par ailleurs, les sources multiples 11a à
11e, ne sont pas toutes nécessairement identiques, et ne sont pas nécessairement réparties selon un réseau régulier.
La partie rayonnante 20, quant à elle, comprend deux surfaces parallèles 21, 22 qui, dans l'exemple représenté, sont des surfaces planes; la surface 21 constitue un plan de masse et la surface 22 constitue une surface rayonnante frontale.
On notera ici encore que ces deux surfaces parallèles 21, 22 ne sont pas nécessairement planes, mais qu'elles peuvent, tout comme les surfaces 12 et 13 de la partie excitatrice 10, être planes, paraboli-ques, sphériques, etc. ou présenter toute autre conformation appro-priée.
L'onde produite par la partie excitatrice 10 est transmise à la partie rayonnante 20 par l'intermédiaire d'un organe réflecteur focalisant 30 constitué de deux réflecteurs focalisants 31 et 32, qui sont tous deux plans dans le plan de balayage fréquentiel et, respec-tivement, hyperboliques et paraboliques dans le plan perpendicu-laire, de manière à produire après réflexion en B, B' et C, C' une onde parfaitement plane à partir de l'onde produite ponctuellement par la source A.
L'onde plane ainsi produite, après réflexion au point C ou C', vient frapper le plan de masse 21 avec un angle d'incidence prédé-terminé a (voir représentation schématique de la figure 3), de sorte que l'onde plane, par un phénomène de réflexions multiples, va rebondir entre les deux plans parallèles 21, 22.

2Q449~3 Comme le plan frontal rayonnant 22 est une surface semi-permé-able aux ondes électromagnétiques, par exemple grâce à des perfora-tions 23 réalisées dans une plaque métallique, chaque fois que l'onde frappera le plan rayonnant frontal 22 une partie de l'énergie de cette onde traversera ce plan et rayonnera vers l'extérieur, le reste de l'énergie se réfléchi~s~qnt en direction du plan de masse 21, où se produira à nouveau une réflexion vers le plan frontal, et ainsi de suite.
La perméabilité de la surface frontale, qui est, dans cet exemple, essentiellement déterminée par la dimension et l'espacement des perforations 23, est telle que cette perméabilité soit faible dans la partie inférieure 24 où la densité d'énergie est la plus élevée (ce qui veut dire que les perforations devront être de petite taille à cet endroit), et élevée dans la partie supérieure 25 où la densité d'éner-gie est la plus faible (ce qui veut dire que les perforations devront être de grande dimension à cet endroit); la loi de variation de la per-méabilité est choisie de telle sorte que, l'énergie de fuite totale tra-versant le plan frontal rayonnant 22 produise la distribution d'amplitude voulue.
Le principe du balayage par variation de fréquence, que l'on va maintenant expliquer en référence à la figure 3, repose sur le fait que le déphasage entre deux rebonds consécutifs sur le plan rayon-nant dépend de la fréquence conformément à la relation suivante:

~> = 2Jr/~. 2h/cosa, ~ étant la longueur d'onde à la fréquence f, h étant l'espacement entre le plan de masse et le plan frontal rayonnant, a étant l'angle d'incidence de l'onde excitatrice, et ~ étant le déphasage (cumulatif) à chaque rebond.
Le paramètre h (espacement entre les deux plans 21 et 22) peut être choisi de manière que les images virtuelles S1, S2, ... du foyer F
après les réflexions successives D1, E1, D2, E2 ... vérifient la relation 35 suivante:

2h cosa = m~0, où m est un entier naturel et ~0 est la longueur d'onde à la fré-quence centrale de fonctionnement de l'antenne.
La distance d entre deux points de réflexion adjacents E1, E2 sur le plan frontal rayonnant peut être définie par la relation suivante:
d = 2htga.

L'angle de rayonnement du lobe principal ~ peut alors être cal-culé d'après l'équation suivante, en elle-même connue:
k.d.sin~ = ~ - n.27~., où k est une constante de propagation et n est un entier naturel.
Par substitution des trois premières équations dans cette der-nière relation, on obtient:

~ = arcsin [ (m - n (~/~0) cos2a) / (m sina) ].
Les entiers n et m seront choisis de manière que l'angle de rayon-nement ~ soit le même que l'angle d'excitation a à la fréquence cen-trale f0, ce qui a lieu lorsque n = m.
L'équation précédente devient alors:
~ = arcsin [ (1 - (f0/f) cos2a) / (sina) ], ce résultat ~ variant avec la fréquence f, comrne on le désirait.
On a présenté sur la figure 4 un réseau de courbes montrant la façon dont la direction du lobe principal varie en fonction, d'une part, de la fréquence f (ou, plus exactement, de la variation relative de fréquence ~f/f0 par rapport à la fréquence centrale f0) et, d'autre part, de l'angle d'incidence a.
Comme on peut le voir, la sensibilité du balayage en fréquence dépend de l'angle d'excitation a, et présente une valeur relativement 2044 ~ 03 Scanning antenna by frequency variatioIl The present invention relates to a scanning antenna by frequency variation, i.e. an antenna transmitting (or receiving vant) an electromagnetic wave according to a diagram including the lobe principal has a given orientation, which varies depending on the frequency of the wave radiated (or received) by the antenna.
It is thus possible to carry out a pure scan electronically.
static, simply by selecting the precise frequency 0 applied to the antenna, each frequency thus selectable corresponds corresponding to a given main direction of emission.
We know various structures allowing to realize such a function, especially structures with ~ wave aids such as those described in Mr. Skolnik's Radar Handbook, 1970, in particular chapter 13 entitled Frequency-ScannedArrays, by Irving W. Hammer, who describes in particular slotted networks and folded radiating element structures making it possible to such an electronic scanning by variation of frequencies.
we describe in the French patent published on 27 April 1984 under no. 2,535,120, on behalf of the Applicant, a reflective element sensitive to the frequency which, placed in front of a wave projector such that a transmitting horn, reflects the incident wave in a direction varying according to the frequency of this wave.
However, these devices all have a certain number common disadvantages, namely:
- scanning capacity (i.e. the amplitude of the validation angular direction of the main lobe, depending on the maximum relative frequency variation) is generally very limited, and insufficient in many applications;

the - the structure is always mechanically complex and radioelectric, which makes it difficult to focus and dif ~ lcile fablication, therefore expensive;
--these complex structures are generally massive and vo] u-miners, making them unsuitable for use as on-board satellite antennas; and ,. . .

- the shape of the product diagram is such that, when changes frequency, the level of overlap between two successive beams (i.e. level in one direction located halfway between the main emission directions of these two beams) is generally quite low, which makes difficult continuous coverage of a given geographic area born.
The subject of the invention is a frequency scanning antenna which overcomes all of these drawbacks, thus making it perfectly suitable for use as an on-board antenna satellite, in particular as a radiocommunication antenna by satellite.
It will indeed be seen that the antenna of the invention is, from the point of view mechanical, simple, compact and light in structure, all characteristics particularly desirable for use aboard a satellite.
We will also see, with regard to the scanning capacity depending on the frequency, that the proposed structure has a high frequency sensitivity, i.e. for low frequency variation, the scanning amplitude is relatively high vee.
This characteristic is particularly advantageous because that the permitted frequency deviation is generally limited by the specific characteristics of the transmitter and the bandwidth allocated - typically around 2.5% around the frequency central, in the microwave domain such as bands 30/20 GHz used for satellite communications. The Excur-frequency is thus limited, it is therefore desirable to cover the widest possible geographic area while remaining within these frequency limits - characteristic that allows specified-ment the present invention, with the further possibility of determining easily build, by a choice of geometrical parameters simple triques, the most appropriate frequency sensitivity taking into account the desired geographic coverage.
We will also see that the antenna of the invention is perfectly compatible with a number of constraints usual such as:
- the possibility of radiating powers important with high yield;
- respect for the linearity of the polarization;
- optional circular polarization;
- a robust structure, capable of withstanding to severe environmental constraints spatial; and lo - the greatest possible insensitivity to temperature variations, taking into account in particular very large amplitude thermal cycles encountered in space environment.
The present invention relates to an antenna for radiate an electromagnetic wave having a frequency given and emitted from an exciter, an orientation emission from the antenna being controllable by varying the frequency of the electromagnetic wave around a central frequency Fo and a wavelength Ao of 0 antenna operation, comprising:
radiant means for receiving at an entrance a plane electromagnetic wave having a frequency f and a wavelength A, and to subject said wave electromagnetic hovers a plurality of reflections successive inside said radiating means, said radiating means including first and second surfaces of parallel opposite reflections, the first surface forming a mass surface connected to ground and serving as a reference plane against which an angle incidence of an electromagnetic wave entering in said input of the radiating means is measured, the first and second reflection surfaces being separated by a distance h greater than the wavelength A of VS

3a the plane electromagnetic wave thus causing a phase shift of the plane electromagnetic wave between two rebounds consecutive on the second surface of reflections, the phase shift of the plane electromagnetic wave between two consecutive rebounds varying according to the frequency f and the wavelength A of the electromagnetic wave plane, the second surface of reflections being a surface radiating frontal permeable to an electromagnetic wave allowing part of the plane electromagnetic wave reflected between the first and second surfaces of reflections of being radiated outwards after predetermined reflections to generate a series of radiated waves from radiating means, the series of radiated waves defining a transmission diagram having a main lobe with variable orientation as a function of frequency f and wavelength A;
a reflective focusing member for receiving a electromagnetic wave at an input and reflect said electromagnetic wave which then constitutes said wave electromagnetic plane in the entrance of said means radiating at a predetermined angle of incidence a towards said first surface of reflections, said organ focusing reflector including a hyperbolic reflector;
exciting means for receiving said wave electromagnetic from the exciter to an input near a focal point of the hyperbolic reflector and to direct said electromagnetic wave into the entrance of the focusing reflector, said excitation means comprising sources constituted by horns located in the vicinity of the focal point, each of the sources being slightly defocused from the focal point and spatially offset from other sources, each of the horns can be selected to couple an electromagnetic wave from the exciter in the means 3b exciters to thereby scan in two perpendicular directions by combining fac ~ on suitable one of said horns with a frequency of the wave electromagnetic, the series of radiated waves having a radiation angle ~ defined by the following equation:
~ = arcsin {(m - n (A / ~ O) co ~ 2a) / (msin ~)}

or:
~ is the angle of radiation of the main lobe by relative to said second surface of reflections;
l is the wavelength of the electromagnetic wave re, cue by the exciter;
Ao is the wavelength of the center frequency for operation of the antenna according to the wave electromagnetic re, cue from the exciter;
a is the angle of incidence of an excitation wave of the electromagnetic wave re, cue in the radiating means relative to the reference plane; and m and n are integers chosen so that the radiation angle ~ is equal to the angle of incidence a at said center frequency having the wavelength ~ 0.
Preferably, the radiating means of this structure include two facing surfaces, one forming a mass surface and the other forming a surface radiating front permeable to electromagnetic waves, for example by means of perforations, and means for introduce the plane wave between the two surfaces with a predetermined angle of incidence.
Very advantageously, the permeability of the frontal area is a permeability varying over the extent of it, weak in the proximal regions, where the power density of the plane wave is ., high, and high in the distal regions, where this density is lower.
The excitation means may preferably include two facing surfaces and emitting means of a electromagnetic wave, arranged to direct this electromagnetic wave emitted between these two surfaces, with furthermore at least one focusing reflecting member connecting the excitation means to the reflecting means.
Preferably, in a first embodiment, the surfaces facing the excitation means and those of the radiant means extend in directions essentially parallel, the focusing reflecting member being arranged on the same side excitatory means and radiant means, so as to return the wave emitted to this end of the exciting means towards the end adjacent radiating means under said angle of incidence predetermined.
Preferably, in a second embodiment, the surfaces facing the excitation means and those of the radiating means extend in directions forming between them an angle equal to a right angle increased by said predetermined angle of incidence, so as to feed directly the radiating means by the plane wave produced by exciting means.
In addition, to allow bidirectional scanning excitation means can preferably understand ways to selectively produce different beams having a distinct orientation varying in a direction perpendicular to said direction of varia-tion of the main lobe as a function of said frequency.
o We will now describe in detail the invention, in reference to the accompanying drawings.

., ~
,, ~
, 4a Figure 1 shows in perspective, with the interior partially visible, a first embodiment of the antenna of the invention.
Figure 2 is a schematic vertical section of 'A: t ~

~ g `2044903 Figure 1 (the orientation, not limiting, being simply defined for the convenience of the description in relation to the conventions of the figure).
Figure 3 illustrates the operation of the antenna of the invention.
Figure 4 is a diagram showing the variation of the direction tion of the main lobe as a function of the angle of incidence of the wave in the radiating part of the antenna, this orientation of the lobe principal being given for various frequency values around the central operating frequency of the antenna.
Figure 5 shows how to sweep in two directions one geographic area by combining a choice of frequency and a choice emission horn.
Figure 6 gives the direction of the first side lobes by relation to the main lobe according to the geometrical characteristics of the antenna.
FIG. 7 is a perspective view of a second embodiment sation of the antenna according to the invention.

In FIG. 1, a first exemplary embodiment has been shown.
tion of the invention, in which the scanning antenna by variation of frequency has two main parts, namely a part exciter 10 and a radiating part 20.
We will mainly describe this antenna as an antenna emitter, but it is understood, given the theorem of reciprocity, which it may as well operate mutatis mutandis in receiving antenna, the overall structure remaining unchanged.
The excitation part 10 comprises at least one source 11 (on the figure, we have represented five sources 11a to 11e grouped in the vicinity from a central point A) emitting a radio wave between two parallel flat faces 12 and 13 (see section in Figure 2), the front wave being perpendicular to planes 12 and 13 and the wave propagates giant towards the outlet end 14 of this exciting part tlice.

To avoid multiple reflections on the walls, we plan to necessary, in itself known manner, an absorbent volume 15 imposing on the wave produced a single path from the source 11 to the outlet end 14.
Note that the faces 12, 13 are not necessarily planes, but that they can take other configurations (spherical risk, parabolic, conformed, etc.) as required.
Furthermore, the sources 11 may not only be cor-sharp, as shown, but any other type of element known radiators such as printed elements, elements radiant wire, etc. Furthermore, the multiple sources 11a to 11e, are not all necessarily identical, and are not necessarily distributed according to a regular network.
The radiating part 20, for its part, comprises two surfaces parallels 21, 22 which, in the example shown, are surfaces flat; surface 21 constitutes a ground plane and surface 22 constitutes a frontal radiating surface.
It will be noted here again that these two parallel surfaces 21, 22 do not are not necessarily flat, but that they can, just like the surfaces 12 and 13 of the excitation part 10, be flat, parabolic ques, spherical, etc. or present any other appropriate conformation prayed.
The wave produced by the excitation part 10 is transmitted to the radiating part 20 via a reflecting member focusing 30 consisting of two focusing reflectors 31 and 32, which are both planes in the frequency sweep plane and, respec-hyperbolic and parabolic in the plane perpendicular to laire, so as to produce after reflection in B, B 'and C, C' a perfectly plane wave from the wave produced punctually by source A.
The plane wave thus produced, after reflection at point C or C ', strikes the ground plane 21 with a predetermined angle of incidence finished a (see schematic representation of figure 3), so that the plane wave, by a phenomenon of multiple reflections, goes bounce between the two parallel planes 21, 22.

2Q449 ~ 3 As the radiating frontal plane 22 is a semi-permeable surface capable of electromagnetic waves, for example through perforations tions 23 made in a metal plate, each time the wave will strike the frontal radiating plane 22 part of the energy of this wave will cross this plane and radiate outward, the rest of the energy is reflected ~ s ~ qnt in the direction of the ground plane 21, where will again produce a reflection towards the frontal plane, and so after.
The permeability of the frontal surface, which is, in this example, essentially determined by the size and spacing of perforations 23, is such that this permeability is low in the lower part 24 where the energy density is the highest (which means that the perforations will have to be small at this location), and high at the top 25 where the energy density gie is the weakest (which means that the perforations should be large in this location); the law of variation of the per-workability is chosen so that the total leakage energy travels pouring out the radiant frontal plane 22 produces the distribution desired amplitude.
The principle of scanning by frequency variation, which we will now explain with reference to figure 3, is based on the fact that the phase shift between two consecutive rebounds on the radius plane-nant depends on the frequency according to the following relation:

~> = 2Jr / ~. 2h / cosa, ~ being the wavelength at the frequency f, h being the spacing between the ground plane and the frontal plane radiant, a being the angle of incidence of the excitation wave, and ~ being the phase shift (cumulative) at each rebound.
The parameter h (spacing between the two planes 21 and 22) can be chosen so that the virtual images S1, S2, ... of the focus F
after successive reflections D1, E1, D2, E2 ... verify the relationship 35 next:

2h cosa = m ~ 0, where m is a natural integer and ~ 0 is the wavelength at fre-quence central operating antenna.
The distance d between two adjacent reflection points E1, E2 on the radiating frontal plane can be defined by the following relation:
d = 2htga.

The radiation angle of the main lobe ~ can then be cal-culated according to the following equation, in itself known:
kdsin ~ = ~ - n.27 ~., where k is a constant of propagation and n is a natural integer.
By substitution of the first three equations in this latter nier relation, one obtains:

~ = arcsin [(m - n (~ / ~ 0) cos2a) / (m sina)].
The integers n and m will be chosen so that the angle of radius-~ is the same as the excitation angle a at the frequency cen-trale f0, which takes place when n = m.
The previous equation then becomes:
~ = arcsin [(1 - (f0 / f) cos2a) / (sina)], this result ~ varying with frequency f, as desired.
We presented in Figure 4 a network of curves showing the how the direction of the main lobe varies depending on, part, of the frequency f (or, more exactly, of the relative variation of frequency ~ f / f0 relative to the central frequency f0) and, on the other part of the angle of incidence a.
As can be seen, the sensitivity of the frequency sweep depends on the excitation angle a, and has a relatively low value

2~44903 élevée lorsque cet angle a est faible.
Ceci signifie que, pour une bande de fréquences donnée, l'angle total de balayage 0 peut être choisi en sélectionnant l'angle d'excita-tion a. Bien que, en pratique, il existe une limite inférieure pour cet 5 angle d'excitation o~, il n'en reste pas moins, en tout état de cause, que l'on obtient un balayage en fréquence de forte amplitude rela-tive.
n est possible, par ailleurs, de produire des faisceaux multiples dans le plan perpendiculaire au plan de balayage en fréquence, 10 grâce à la pluralité de sources 11a à 11e situées au voisinage du point focal A, chacune de ces sources étant légèrement défocalisée par rapport au réflecteur hyperbolique 31.
Ainsi, par un choix approprié du couple cornet d'émission/fré-quence d'émission, on peut réaliser un double balayage, c'est-à-dire 15 un balayage dans deux directions perpendiculaires, comme illustré
en figure 5.
Avantageusement, on prévoira alors un léger recouvrement entre faisceaux adjacents, de manière que le niveau de transition entre deux faisceaux adjacents soit sllffi~mment élevé (de l'ordre de 2,5 à
20 3 dB).
Un tel balayage peut notamment être utilisé pour couvrir une zone géographique étendue sur laquelle on souhaite réaliser des communications par satellite.
n en est ainsi--par exemple--des services de communications 25 téléphoniques mis à la disposition des passagers des avions. Ces ser-vices de radiotéléphonie mobile par satellite peuvent être réalisés dans la bande des 30/20 GHz, dans laquelle une largeur de bande de 0,5 GHz peut être allouée, correspondant donc à une variation de fréquence de il,7 à +2,5%. Or, dans ces domaines, il est difficile avec 30 les dispositifs actuels de réaliser un large balayage, si ce n'est avec des antennes complexes et coûteuses à mettre en oeuvre, telles que celles indiquées dans l'introduction de la présente demande.
Au contraire, la présente invention permet de réaliser un bala-yage fréquentiel sur une amplitude de l'ordre de 3 à 4 par un choix 35 de fréquences dans les limites allouées (0,5 GHz dans la bande -30/20 GHz), ce qui rend possible par exemple la couverture complète de l'Atlantique Nord, qui correspond typiquement, pour un satellite géostationnaire, à un balayage de 3 environ dans la direction Nord/Sud (balayage effectué par variation de fréquence) et de 7 à 8 dans la direction Est~Ouest (ce dernier balayage étant par exemple réalisé au moyen de huit cornets d'alimentation sélectionnables).
Une telle couverture correspond à environ 25 faisceaux, ce qui laisse une largeur de bande d'environ 20 MHz pour chaque faisceau, valeur sllffi~nte pour pouvoir maintenir plusieurs centaines de canaux dans chaque faisceau.
La figure 6 montre la direction des premiers lobes secondaires (lobes de réseau), dont l'écart par rapport au lobe principal va dépendre de l'écartement entre les sources virtuelles S1, S2, La direction du premier lobe secondaire de chaque côté du lobe principal est donnée par la relation:

0' = arcsin [ (sin0 + ((f0/f) cos2a) / (m sina) ].

La figure 6 donne la position des valeurs ~' pour différentes valeurs de m, et pour deux valeurs différentes de l'angle d'incidence (a = 15 et a = 20).
On peut voir ainsi que la direction du premier lobe secondaire dépend de l'écartement h entre le plan de masse et le plan frontal rayonnant, de sorte que, si le plan de masse et le plan rayonnant sont très proches, les lobes de réseau seront très éloignés du lobe principal.
Bien que, en pratique, il existe une limite inférieure à cet écarte-ment, avec une valeur raisonnable de l'ordre de 3 à 4 fois la lon-gueur d'onde ~0 à la fréquence centrale, les premiers lobes de réseaux se trouvent repoussés à 20 à 30 du lobe plincipal. Si l'antenne est utilisée à bord d'un satellite géostationnaire, ces lobes secondaires vont se trouver hors de la couverture terrestre et ne viendront donc en aucune fa,con interférer, le seul inconvénient étant la perte d'énergie par ces lobes de réseaux.
On notera que la réalisation présentée peut faire l'objet de nom-2044sa3 breuses variantes.
Tout d'abord, dans le mode de réalisation représenté, l'antenne fonctionne en polarisation linéaire. Il est éventuellement possible de prévoir une polarisation circulaire, simplement en placant un réseau 5 déphaseur devant le plan rayonnant.
En ce qui concerne la face rayonnante, outre les perforations cir-culaires du mode de réalisation représenté, on peut prévoir, égale-ment en variante, des perforations rectangulaires, des perforations elliptiques, des fentes rectilignes, des fentes en croix, etc.
La face rayonnante peut être par ailleurs constituée d'une struc-ture imprimée, par exemple par des lignes, des éléments de type microruban tels que des anneaux, des boucles, des croix, etc. réalisés sous forme d'une ou plusieurs couches séparées par du vide ou un diélectrique.
En ce qui concerne les réflecteurs de focalisation 31 et 32, ils peu-vent prendre toute forme appropriée: plane, hyperbolique, ellipti-que, parabolique, conformée, etc.; ils peuvent être également rem-placés par des lentilles électromagnétiques.
Par ailleurs, les différentes sources 11a à 11e peuvent être pla-20 cées sur une surface qui n'est pas nécessairement plane, mais quipeut être également sphérique, parabolique, conformée, etc.
Enfin, on a représenté sur la figure 7 une autre forme de réalisa-tion, dans laquelle la partie excitatrice 10 et la partie rayonnante 20 ne sont plus disposées l'une contre l'autre, comme dans le cas de la 25 figure 1, mais en formant un angle prédéterminé, qui correspondra précisément à l'angle d'incidence a recherché. Comme on peut le voir sur cette figure, où les références numériques identiques à celles de la figure 1 désignent des éléments semblables, on n'a plus besoin dans ce cas que d'un seul réflecteur 33, qui est alors un réflecteur 30 rectiligne dans le plan de balayage fréquentiel, et parabolique dans le plan perpendiculaire.

.. . .... ..... . .. .
. 2 ~ 44903 high when this angle a is small.
This means that, for a given frequency band, the angle scan total 0 can be selected by selecting the angle of excitation tion a. Although, in practice, there is a lower limit for this 5 angle of excitation o ~, the fact remains, in any event, that a high amplitude frequency sweep is obtained tive.
It is also possible to produce multiple beams in the plane perpendicular to the frequency scanning plane, 10 thanks to the plurality of sources 11a to 11e located in the vicinity of the focal point A, each of these sources being slightly defocused with respect to the hyperbolic reflector 31.
Thus, by an appropriate choice of the horn / broadcast pair transmission frequency, a double scan can be carried out, i.e.
15 scanning in two perpendicular directions, as illustrated in figure 5.
Advantageously, a slight overlap will then be provided between adjacent beams, so that the transition level between two adjacent beams be sllffi ~ mment high (of the order of 2.5 to 20 3 dB).
Such a sweep can in particular be used to cover a large geographic area over which we wish to carry out satellite communications.
this is so - for example - communications services 25 telephones available to aircraft passengers. To cease-vices of mobile radiotelephony by satellite can be realized in the 30/20 GHz band, in which a bandwidth of 0.5 GHz can be allocated, corresponding to a variation of frequency of it, 7 to + 2.5%. Now in these areas it is difficult with 30 current devices to perform a wide sweep, if not with complex and costly antennas to implement, such as those indicated in the introduction to this application.
On the contrary, the present invention makes it possible to produce a bala-frequency shift on an amplitude of the order of 3 to 4 by a choice 35 frequencies within the allocated limits (0.5 GHz in the band -30/20 GHz), which makes possible for example full coverage of the North Atlantic, which typically corresponds, for a satellite geostationary, about 3 sweep in the direction North / South (sweep by frequency variation) and from 7 to 8 in the East ~ West direction (this last scan being for example using eight selectable feed cones).
Such coverage corresponds to approximately 25 beams, which leaves a bandwidth of around 20 MHz for each beam, sllffi ~ nte value to be able to maintain several hundred channels in each beam.
Figure 6 shows the direction of the first side lobes (network lobes), whose deviation from the main lobe goes depend on the spacing between the virtual sources S1, S2, The direction of the first secondary lobe on each side of the lobe principal is given by the relation:

0 '= arcsin [(sin0 + ((f0 / f) cos2a) / (m sina)].

Figure 6 gives the position of the values ~ 'for different values of m, and for two different values of the angle of incidence (a = 15 and a = 20).
We can see that the direction of the first secondary lobe depends on the distance h between the ground plane and the frontal plane radiating, so that if the ground plane and the radiating plane are very close, the lobes of the network will be very far from the lobe main.
Although, in practice, there is a lower limit to this spreader ment, with a reasonable value of the order of 3 to 4 times the length wavelength ~ 0 at the center frequency, the first lobes of networks are repelled to 20 to 30 of the main lobe. Yes the antenna is used on board a geostationary satellite, these lobes secondary will be outside the land cover and not will therefore come in no way, con interfere, the only drawback being the loss of energy by these lobes of networks.
It should be noted that the work presented may be the subject of nom-2044sa3 different variants.
First, in the embodiment shown, the antenna works in linear polarization. It is possible to provide for circular polarization, simply by placing an array 5 phase shifter in front of the radiating plane.
With regard to the radiating face, in addition to the circular perforations of the embodiment shown, provision may also be made for alternatively, rectangular perforations, perforations elliptical, rectilinear slits, cross slits, etc.
The radiating face can moreover be made up of a struc-ture printed, for example by lines, elements of the type microstrip such as rings, loops, crosses, etc. made in the form of one or more layers separated by a vacuum or a dielectric.
As for the focusing reflectors 31 and 32, they can wind take any appropriate form: plane, hyperbolic, elliptical that, parabolic, consistent, etc .; they can also be replaced placed by electromagnetic lenses.
Furthermore, the different sources 11a to 11e can be placed 20 created on a surface which is not necessarily planar, but which may also be spherical, parabolic, shaped, etc.
Finally, another embodiment has been shown in FIG. 7.
tion, in which the excitation part 10 and the radiating part 20 are no longer arranged one against the other, as in the case of the 25 Figure 1, but at a predetermined angle, which will correspond precisely at the angle of incidence sought. As we can see in this figure, where the numerical references identical to those of figure 1 designate similar elements, we no longer need in this case that of a single reflector 33, which is then a reflector 30 rectilinear in the frequency scanning plane, and parabolic in the perpendicular plane.

... .... ...... ...
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Claims

1. An antenna to radiate an electro- wave magnetic having a given frequency and emitted from an exciter, an antenna transmission orientation being controllable by varying the frequency of the wave electromagnetic around a central frequency F0 and an antenna operating wavelength .lambda.0, including:
radiant means for receiving at an entrance a plane electromagnetic wave having a frequency f and a wavelength .lambda., and to subject said wave electromagnetic hovers a plurality of reflections successive inside said radiating means, said radiating means including first and second surfaces of parallel opposite reflections, the first surface forming a mass surface connected to ground and serving as a reference plane against which an angle incidence of an electromagnetic wave entering in said input of the radiating means is measured, the first and second reflection surfaces being separated by a distance h greater than the wavelength .lambda. of the plane electromagnetic wave thus causing a phase shift of the plane electromagnetic wave between two rebounds consecutive on the second surface of reflections, the phase shift of the plane electromagnetic wave between two consecutive rebounds varying according to the frequency f and the wavelength .lambda. of the electromagnetic wave plane, the second surface of reflections being a surface radiating frontal permeable to an electromagnetic wave allowing part of the plane electromagnetic wave reflected between the first and second surfaces of reflections of being radiated outwards after predetermined reflections so as to generate a series of radiated waves from radiating means, the series of radiated waves defining a transmission diagram having a main lobe with variable orientation as a function of frequency f and wavelength .lambda .;
a reflective focusing member for receiving a electromagnetic wave at an input and reflect said electromagnetic wave which then constitutes said wave electromagnetic plane in the entrance of said means radiating at a predetermined angle of incidence a towards said first surface of reflections, said organ focusing reflector including a hyperbolic reflector;
exciting means for receiving said wave electromagnetic from the exciter to an input near a focal point of the hyperbolic reflector and to direct said electromagnetic wave into the entrance of the focusing reflector, said excitation means comprising sources constituted by horns located in the vicinity of the focal point, each of the sources being slightly defocused from the focal point and spatially offset from other sources, each of the horns can be selected to couple an electromagnetic wave from the exciter in the means exciters to thereby scan in two perpendicular directions by combining so suitable one of said horns with a frequency of the wave electromagnetic, the series of radiated waves having a beam angle .THETA. defined by the following equation:

.THETA. = arcsin {(m - n (.lambda ./. lambda.0) cos2.alpha.) / (msin .alpha.)}
or:
.THETA. is the angle of radiation of the main lobe by relative to said second surface of reflections;
A is the wavelength of the electromagnetic wave received by the exciter;
.lambda.0 is the wavelength of the center frequency for operation of the antenna according to the wave electromagnetic received from the exciter;
.alpha. is the angle of incidence of an excitation wave of the electromagnetic wave received in the radiating means relative to the reference plane; and m and n are integers chosen so that the angle of radiation .THETA. is equal to the angle of incidence .alpha.
at said center frequency having the wavelength .lambdaØ

2. The antenna of claim 1, in which the radiating frontal surface is a surface provided with perforations.

3. The antenna of claim 1, in which the frontal surface has a permeability varying over the extent of said front surface, said permeability being weak in proximal regions, where the plane wave has a high power density, said permeability being high in distal regions, where this density of power is less.

4. The antenna of claim 1, in which the exciting means comprise two surfaces facing each other, the sources being means emitting a electromagnetic wave, arranged to direct this electromagnetic wave emitted between these two surfaces of exciting means.

5. The antenna of claim 4, in which said focusing reflecting member connects the excitatory means to radiant means.

6. The antenna of claim 5, in which the facing surfaces of the excitation means and the surfaces facing the radiating means extend in essentially parallel directions, the focusing reflector being arranged on the same side excitatory means and radiant means, so to send back a wave emitted at one end of the means exciters to an adjacent end of the means radiating under said predetermined angle of incidence .alpha ..

7. The antenna of claim 6, in which the facing surfaces of the excitation means and the surfaces facing the radiating means extend in directions forming an angle between them (.pi. / 2 + .alpha.) equal to a right angle increased by said angle of predetermined incidence, so as to feed directly the radiating means by the plane wave produced by exciting means.

8. The antenna of claim 1, in which the exciting means include means for selectively produce different beams with a distinct orientation varying in a perpetual direction dicular to said variable orientation of the main lobe as a function of said frequency f.

9. The antenna of claim 1, in which the radiating means further comprises phase shifting means capable of circularly polarizing the wave radiated.